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三角形手电筒激光器射出的光最初是什么 [复制链接]

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理论上,对于平行光来说,发光孔径是什么形状就能形成什么形状的光柱。然而实际上并不如此,且看下文:

首先,对于平行光来说,发光孔径是什么形状就能形成什么形状的光柱。其实,这个已经是有自然现象可以验证的。比如日食、月食是光在同种均匀介质中沿直线传播的典型例证。在日食发生过程当中,我们能清晰看到月球遮挡太阳的过程,由于月球是圆的,所以我们看到的边界也是圆形。没有被月球遮挡的阳光,继续传播了38万公里,仍然将月球边缘的形状传递到我们的眼睛里。如果我们把太阳看作是一个手电筒,月球就是它前面圆形的遮挡片,光线清晰地给出了透光部分的形状。

然而,对于手电筒甚至是激光器来说,都是无法保持在长距离传输的时候还能保留镜片的形状的。

这是因为,这两种光都不是严格意义上的平行光。手电筒不是平行光我想各位小伙伴们都是好理解的,所以老郭就不多解释了。咱们就来说一下激光为什么也不是严格的平行光。

这是由激光器的发光原理决定的。

咱们就不对激光受激辐射的过程做讲解了,只谈一下激光器的谐振腔,因为这与激光的准直性直接相关。激光器上有两块关键性的镜子,一面是半反半透镜,一面是全反射镜。这两面镜子被安装在谐振腔的两端,镜子的直径远小于谐振腔的长度。谐振腔的长度等于半波长的整数倍,这样,谐振腔中的光子,只有等于谐振腔所约束的波长的的光才能在到达半反半透镜的时候以相同的相位从激光器中发射出去。

我们从这个谐振腔工作原理可以看出,只有谐振腔的长度远远大于两边镜子的直径,激光器才能有非常高的准直性。在实际应用中,所有的激光都是有一定的发散角的。甚至有些激光器的发散角还是很大的,比如半导体激光器,有些甚至发散角能达到20°~40°左右,这是由于这些小型甚至是微型的激光器的谐振腔不能做得很长,谐振腔的选择性比较差导致的。即使是长度是十几米甚至几十米上百米的激光器其实也存在着这样的问题。

如果我们在这样的激光束前面用一个三角形的孔去遮挡形成一个三棱柱形的光束,这个光速在传输到很远的距离之后,由于发散,它投射在接收屏上的三角形光斑的边缘,就会随着接收屏距离光源位置的增加逐渐模糊,直到最后我们再也不能分辨出来光斑是个三角形。在这个位置上的人,也就无法知道,这个光束发出来的时候是一个三棱柱形的光速。

其实还有一个更重要的事实,无法保证光柱的形状,那就是宇宙膨胀。

一束被镜头约束的激光,在宇宙真空中传播的时候,必然随着宇宙的膨胀而发散。这就是为什么越是遥远的星系,我们看到它们越暗的原因,光线的强度与距离的平方成反比。任何一个平行光速,运动到无穷远的时候都会随着宇宙的膨胀变成一个球面波。如果我们还用一个平面的接收屏去接收这束光,我们看到的就是一个越来越接近圆形的光斑。

其实这个现象也是很容易用实验来验证的,我们拿一个手电筒和一个很小的平面镜(最好是有几面不同形状的镜子:方的、圆的,实在不行摔碎一面镜子这样就什么形状的都有了),然后用平面镜把手电筒的光反射到墙壁上观察反射光的像。如果我们手里有望远镜和那种儿童玩具激光笔,也可以做一下相同的实验。实验的结果我就不说了,大家有兴趣的可以自己检验一下我刚才说的道理。

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